Clostridium acetobutylicum
A Microbial Biorealm page on the genus Clostridium acetobutylicum
Classification
Higher order taxa
Bacteria (Domain); Firmicutes (Phylum); Clostridia (Class); Clostridiales (Order); Clostridiaceae (Family); Clostridium (gen)
specie
Clostridium acetobutylicum
Clostridium acetobutylicum ATCC 824 este considerat tulpina de tip.
NCBI: taxonomie
descriere și semnificație
Clostridium acetobutylicum este un bacil Gram-pozitiv (1). C. acetobutylicum este cel mai adesea locuința solului, deși a fost găsită într-un număr de medii diferite. Este mezofil cu temperaturi optime de 10-65 centimetrii C. În plus, organismul este zaharolitic (poate descompune zahărul) (1) și capabil să producă o serie de produse utile din punct de vedere comercial; mai ales acetonă, etanol și butanol (2).
C. acetobutylicum necesită condiții anaerobe pentru a crește în starea sa vegetativă. În stările sale vegetative, este mobil prin flagelă pe întreaga suprafață. Poate supraviețui doar până la câteva ore în condiții aerobe, în care va forma endospori care pot dura ani de zile chiar și în condiții aerobe. Numai atunci când acești spori se află în condiții anaerobe favorabile, creșterea vegetativă va continua (1).
a fost izolat pentru prima dată între 1912 și 1914 (2). Chaim Weizmann a cultivat bacteriile pentru a produce acetonă, etanol și butanol într-un proces numit metoda ABE. Astfel, este potrivit ca C. acetobutylicum să fie adesea numit ” organismul Weizmann.”Produsele au fost apoi utilizate în producția de TNT și praf de pușcă în Primul Război Mondial (3). După Primul Război Mondial, procesul ABE a fost utilizat pe scară largă până în anii 1950, când procesele petrochimice au devenit mai rentabile datorită costului și disponibilității surselor de combustibil petrolier. Recenta criză a combustibililor fosili a stimulat mai multe cercetări în C. acetobutylicum și utilizarea procesului ABE (2).
pe lângă faptul că este o bacterie importantă pentru uz industrial, C. acetobutylicum este studiat ca model pentru formarea endosporilor în bacterii. Acesta a fost comparat cu cele mai frecvent studiate bacterii endospore, Bacillus subtilis (2). Înțelegerea căilor de formare a endosporilor este importantă, deoarece multe bacterii care formează endospori sunt agenți patogeni umani, atât în genurile Bacillus, cât și în Clostridium.
tulpina cea mai frecvent studiată este tulpina tip, ATCC 824. Această tulpină a fost descoperită și izolată în sol dintr-o grădină din Connecticut în 1924. Cercetările au indicat faptul că ATCC 824 studiat pe scară largă este strâns legat de tulpina Weizmann utilizată în producția industrială timpurie de acetonă (2).
structura genomului
genomul Clostridium acetobutylicum ATCC 824 a fost secvențiat folosind abordarea puștii. Aceasta este tulpina model pentru bacteriile producătoare de solvenți. Genomul constă dintr-un cromozom circular și o plasmidă circulară. Cromozomul conține 3.940.880 perechi de baze. Există o prejudecată mică a catenei, aproximativ 51,5% din gene fiind transcrise din catena înainte și 49,5% din catena complementară (2).
genele notate comune bacteriilor includ cei 11 operoni care codifică ribozomii. Este interesant faptul că fiecare dintre acești operoni este aproape de oriC (originea replicării) și orientat în direcția firului principal al furcii de replicare. (2). Aceasta este o caracteristică frecvent observată cunoscută sub numele de doza de gene, în care genele foarte transcrise sunt plasate în apropierea oricului. Datorită orientării acestor gene, acestea vor fi transcrise în număr mai mare în timp ce ADN-ul este în curs de replicare și există copii suplimentare ale genei prezente în celulă.
în plus, genomul conține o plasmidă mare (numită megaplasmidă). Această plasmidă pare să conțină aproape toate genele implicate în producția de solvenți și este numită pe bună dreptate pSOL1. pSOL1 conține 192.000 de perechi de baze și coduri pentru 178 de polipeptide. Examinarea plasmidei nu indică nicio părtinire în care Catena este catena de codificare (2).
când Clostridium acetobutylicum este cultivat în cultură continuă sau suferă multe transferuri, tulpina degenerează încet prin faptul că își pierde capacitatea de producție a solventului. Experimentele pentru a determina ce cauzează degenerarea au arătat că pSOL1 conține patru gene care sunt vitale pentru producția de alcool și acetonă. Pe parcursul multor transferuri sau a creșterii vegetative continue, această plasmidă se pierde. Dovezi suplimentare pentru pierderea acestei plasmide care duce la degenerarea tulpinii sunt că mutanții lipsiți de aceste gene și incapabili să producă solvent reiau producția de acetonă și alcool la completarea genelor prin plasmide (4).
alte tulpini mai puțin studiate de C. acetobutylicum, cum ar fi ATCC 4259, au prezentat o degenerare similară. Plasmida din această tulpină se numește pWEIZ. Din nou, degenerarea datorată cultivării în serie a acestei tulpini se crede că apare din cauza eventualei pierderi pWEIZ. Această tulpină merită remarcată deoarece, interesant, aceste tulpini degenerate, de asemenea, nu sporulează. Acest lucru a stimulat ideea că genele implicate în sporulare există și pe plasmidă atât în ATCC 4259, cât și în tulpina de tip, ATCC 824 (4, 2).
metabolismul energetic și produsele secundare
Clostridium acetobutylicum este un chemoorganotrof. Obține energie prin fosforilarea substratului prin fermentare. Ca și în cazul tuturor fermentațiilor, substratul este molecule organice care acționează ca donator și acceptor de electroni. Rezultă că este heterotrofic cu sursa sa de carbon provenind din molecule organice. În special, C. acetobutylicum necesită o sursă de carbohidrați capabilă să fie supusă fermentației pentru a supraviețui (1).
în plus, C. acetobutylicum este un anaerob obligatoriu. Poate supraviețui doar ore într-un mediu aerob înainte de a fi supus sporulării ca mijloc de a supraviețui perioade mult mai lungi de timp în mediul aerob. Nu afișează nicio activitate a catalazei, o enzimă importantă pentru organismele aerobe pentru a transforma un produs secundar toxic al metabolismului oxigenului, peroxidul de hidrogen, în apă și oxigen (5). Cu toate acestea, conține multe enzime care îi permit să supraviețuiască în medii microoxice, cum ar fi superoxid dismutaza. Aceste enzime sunt reglate în sus în prezența oxigenului și contribuie la supraviețuirea celulară pe termen scurt în medii microoxice (6).
C. acetobutylicum este capabil să utilizeze un număr de carbohidrați fermentabili diferiți ca sursă de energie, precum și de carbon. Codurile genomului pentru proteine care ajută la descompunerea xylan, levan, pectină, amidon și alte polizaharide (2). Interesant este că, în timp ce genele care codifică în mod obișnuit cellusomii, complexe proteice care descompun celuloza cristalină, sunt prezente, organismul nu este capabil să crească numai pe substraturi de celuloză (7).
cercetări considerabile au fost investite în căile metabolice ale Clostridium acetobutylicum pentru a îmbunătăți operațiunile de fermentare industrială. Căile metabolice care produc solvenți utili industriali sunt cele mai notabile în C. acetobutylicum. Solvenții acetonă, acetat, butanol, butirat și etanol sunt toți derivați din precursorul comun, acetil-CoA (2). Pe lângă aceste produse, se produc CO2 și H2 (1).
o altă cale metabolică notabilă este că unele clostridii (inclusiv C. acetobutylicum) sunt capabile să “fixeze” azotul atmosferic. Procesul de fixare a azotului reduce N2 atmosferic în amoniac, care este apoi încorporat în molecule prin biosinteză. Acest lucru a fost determinat folosind o formă marcată de azot, 15N2. După secvențiere, C. acetobutylicum ATCC 824, o serie de gene foarte asemănătoare cu genele de fixare a azotului din C. pasteurianum au fost găsite, confirmând în continuare capacitatea bacteriei de a utiliza azotul atmosferic (8).
structura și dezvoltarea celulelor
în timpul dezvoltării celulare timpurii, C. acetobutylicum pătează Gram-pozitiv, cu toate acestea, poate pata Gram-negativ pe măsură ce cultura îmbătrânește. În timpul creșterii vegetative, celula are flageli peritrici (flageli care acoperă întreaga suprafață a celulei) (1). Motilitatea crescută a bacteriilor a fost implicată în creșterea producției de solvenți datorită chemotaxiei. Atractanții includ acidul butiric și zahărul. Repelenții notabili includ acetonă, butanol și etanol. Acest mecanism este logic în a permite celulei să găsească nutrienți și să se îndepărteze de produsele secundare produse de propriul metabolism (9).
în plus, diferite produse secundare sunt produse în diferite faze de creștere în C. acetobutylicum. În timpul fazei de creștere exponențială, produsele primare sunt acetat și butirat. În acest timp, are loc și fixarea azotului (8). La ceva timp după ce celula intră în faza staționară (18 ore), producția de butanol și vârf de acetonă (1). Această separare temporală a fixării azotului și producerea solventului este avantajoasă pentru a evita concurența pentru reductanți prin cele două procedee (8).
stadiul major al dezvoltării celulare se caracterizează prin formarea unui endospor. Un endospor este cel mai rezistent tip de celulă cunoscut. La anumite indicii de mediu, celula vegetativă produce un sept subterminal (1), eveniment care poate fi vizualizat cu microscopie electronică . Acest sept devine în cele din urmă o altă celulă, numită forespore, înghițită de celula originală, numită celula mamă. Forespore este compus dintr-un strat de cortex (în principal peptidoglican) și proteine de acoperire. Aceste două straturi foarte rezistente înconjoară miezul, care este o citoplasmă foarte deshidratată. Miezul este definit de absolut nici un metabolism care apar în interiorul celulei. Celula mamă lizează eliberând sporul Matur. Acest spor matur este rezistent la temperaturi ridicate, substanțe chimice și multe tipuri de radiații, permițându-i să supraviețuiască pentru un număr extraordinar de ani. La alte indicii de mediu, cum ar fi un mediu anoxic, celula germinează și începe din nou ciclul vegetativ (10).
formarea sporilor începe atunci când celula este expusă unor condiții nefavorabile. Condițiile aerobe, formarea de subproduse organice și disiparea gradientului de protoni în afara membranei citoplasmatice conduc la sporulare. Acest lucru este în contrast cu organismul model de formare a endosporilor, Bacillus subtilis, care formează endospori în primul rând datorită limitării nutrienților (10).
Ecologie
în timp ce tulpina de tip C. acetobutylicum a fost izolat din sol, C. acetobutylicum este omniprezent. A fost găsit în “sedimentul lacului, apa din puț și intestinul scoicii” (1). În plus, a fost înregistrat într-un număr de exemplare diferite de fecale, inclusiv fecale umane, bovine și canine (1). O căutare a literaturii arată că relațiile patogene sau simbiotice nu sunt documentate.
patologie
C. acetobutylicum este complet benign atât pentru plante, cât și pentru animale, cu toate acestea, multe alte specii din genul Clostridium sunt agenți patogeni cunoscuți, inclusiv: Clostridium difficile, Clostridium botulinum, Clostridium tetani și Clostridium perfringen. În special, C. botulinum și C. tetani, produc unele dintre cele mai mortale neurotoxine cunoscute (11).
C. acetobutylicum a fost găsit în colonul uman, cu toate acestea, nu se știe că face parte din flora umană normală (3). În plus, deoarece organismul nu pare a fi toxic pentru mamifere prin producerea de substanțe intracelulare sau extracelulare, organismul ar trebui să fie prezent în cantități enorme pentru a produce orice amenințare (12).
singura problemă a patologiei cu C. acetobutylicum este dobândirea genelor din Clostridium patogen, cum ar fi C. tetani sau C. botulinum. Deși nu există cazuri raportate de C. acetobutylicum care să dobândească aceste gene, au existat incidente în literatura de specialitate în care alte specii de Clostridium au provocat botulism infantil cu toxine foarte asemănătoare cu cele prezente în C. botulinum. Similitudinea toxinelor sugerează că tulpina Clostridium, în mod normal netoxigenică, a dobândit gene care codifică toxina de la C. botulinum, care sunt probabil prezente pe o plasmidă (13).
aplicarea la biotehnologie
Clostridium acetobutylicum a jucat un rol important în biotehnologie de-a lungul secolului 20. Inițial, acetona a fost necesară în producția de cauciuc sintetic. Chaim Weizmann a fost angajat să lucreze la această problemă la Universitatea din Manchester, iar fermentația a devenit o cale atractivă în care să achiziționeze acetona necesară procesului. Între 1912 și 1914, Weizmann a izolat o serie de tulpini. Cel mai bun producător va deveni mai târziu cunoscut sub numele de Clostridium acetobutylicum. Metoda ABE concepută de Weizmann a oferit avantajul unei eficiențe sporite față de alte procese de fermentare. În plus, ar putea utiliza amidonul de porumb ca substrat, în timp ce alte procese necesitau utilizarea cartofilor3.
izbucnirea Primului Război Mondial în 1914 a dus la o creștere uriașă a nevoii de acetonă. S-ar dovedi un punct esențial în dezvoltarea procesului ABE utilizând organismul lui Weizmann. Acetona urma să fie utilizată în producția de praf de pușcă fără fum, cunoscut sub numele de cordită. În următorii câțiva ani, procesul lui Weizmann va fi utilizat într-o serie de mari fabrici industriale din Marea Britanie. Când Marea Britanie a fost întreruptă de accesul la cereale în timpul războiului, procesul a fost mutat în fabricile din Canada. Când Statele Unite au intrat în război în 1917, au deschis și o serie de fabrici folosind metoda Weizmann. După încheierea războiului, nevoia de acetonă a scăzut brusc. Cu toate acestea, fabricile erau încă folosite pentru a produce butanol, un solvent util în producția de lacuri pentru industria automobilelor în expansiune. Anterior, butanolul a fost un produs rezidual al procesului atunci când accentul a fost pus pe producția de acetonă. De-a lungul sfârșitul anilor 1920, cererea de butanol a continuat să escaladeze din cauza industriei de automobile în creștere și un număr de noi plante deschis cu o capacitate enormă de producție. Două astfel de plante scot 100 de tone de acetonă în fiecare zi. În plus față de butanol, etanolul industrial a fost produs pentru o varietate de scopuri. Hidrogenul gazos emis prin proces a fost utilizat pentru hidrogenarea uleiurilor utilizate pentru alimente. În acest moment, melasa a devenit principalul substrat pentru fermentarea ABE. Era mai ieftin și mai eficient decât amidonul de porumb. Când brevetul pentru tulpina Weizmann a expirat în 1937, au fost deschise mai multe fabrici noi în toată țara, precum și la nivel internațional (3).
cu toate acestea, la sfârșitul anilor 1950 și 1960, industria petrolieră a început să urce într-un ritm incredibil. În plus, prețul melasei utilizate în fermentație a început să urce abrupt. Deși au fost dezvoltate metode de fermentare mai eficiente, acestea nu au putut concura în cele din urmă cu producția petrochimică a solvenților industriali și majoritatea plantelor au fost închise până în 1957(3). Cu toate acestea, odată cu creșterea continuă a prețurilor petrolului, au existat de atunci studii pentru a reconsidera fermentația ca sursă de solvenți industriali. Unele dintre aceste procese au încercat să crească eficiența procesului folosind manipularea genetică (14). Alții au examinat utilizarea ca substrat a deșeurilor, cum ar fi zerul sau așchii de lemn (15).
cercetarea actuală
C. acetobutylicum a fost punctul central al cercetării ca mecanism specific de livrare a medicamentelor terapeutice în regiunile canceroase ale corpului. C. acetobutylicum este în mod necesar anaerob și, prin urmare, injectarea intravenoasă a sporilor va duce la germinare numai în regiunile hipoxice ale tumorilor solide din organism. Manipularea genetică a C. acetobutylicum pentru a produce enzime care vor activa medicamentele pro în regiunea tumorală oferă un mecanism de livrare extrem de specific acestor site-uri tumorale (16).
unele dintre cele mai noi cercetări au investigat metode alternative pentru a produce solvenții industriali pe care C. acetobutylicum a fost folosit în ultimul secol pentru a produce. În special, butanolul a primit o atenție deosebită ca posibilă sursă alternativă de combustibil pentru Automobile. Butanolul și etanolul, ambele produse de fermentare de către C. acetobutylicum, au fost studiate intens. Dintre cele două, butanolul are avantaje față de etanol ca sursă de combustibil, precum și multe beneficii posibile față de sursele actuale de combustibil, prin faptul că poate oferi emisii mai mici și eficiență sporită. Cel mai important factor în costul producției de butanol este asociat cu costul și disponibilitatea substratului. Prin urmare, studiile au fost orientate spre metode noi de utilizare a substraturilor ieftine. Într-un studiu din 2006, a fost propusă fermentarea butanolului printr-un nou proces brevetat în locul procesului ABE. Aceasta implică utilizarea fibrelor de porumb (în special xilem), ca substrat pentru C. acetobutylicum, pentru a produce butanol ieftin. Avantajul major al acestei tehnici este că fibra de porumb este un produs secundar în multe procese agricole și oferă o sursă abundentă de substrat (17).
o altă sursă intensă de studiu pentru C. acetobutylicum este producția de hidrogen gazos ca sursă alternativă de energie. Hidrogenul gazos conține o cantitate mare de energie, care ar putea fi o benzină alternativă extrem de benefică. În special, utilizarea hidrogenului gazos nu produce dioxid de carbon sau gaze cu efect de seră. Majoritatea hidrogenului gazos este produs în prezent folosind surse neregenerabile; un mijloc alternativ de producție prin fermentare ar fi extrem de valoros dacă randamentele ar putea crește enorm. Astfel, o serie de metode diferite de fermentare care ar putea fi utilizate pentru a îmbunătăți randamentele sunt explorate în cele mai recente cercetări care implică C. acetobutylicum. În special, un reactor cu pat de scurgere care folosește glucoza ca substrat a fost prezentat ca o posibilitate, deși randamentele sunt prea mici pentru a fi utilizate industrial. Cu toate acestea, un fel de aplicare a unui pat de scurgere este văzută ca un posibil mijloc de producții în viitor (18).
taxonomie:NCBI
(1) Cato, E. P., W. L. George și S. M. Finegold. 1986. Genul Clostridium, PP. 1141-1200. În: P. H. A. Sneath și colab. (eds.), Manualul de Bacteriologie sistematică al lui Bergey, Vol. 2. Williams și Wilkins, Baltimore, MD.
(2) Nolling J și colab., “Secvența genomului și analiza comparativă a bacteriei producătoare de solvenți Clostridium acetobutylicum.”, J Bacteriol, 2001 Aug;183 (16):4823-38.
(3) Jones, D. T. și D. R. Woods. 1986. Fermentația acetonă-butanol revizuită. Microbiol. Apocalipsa 50: 484-524.
(4) Cornillot, E., R. V. Nair, E. T. Papoutsakis și P. Soucaille. 1997. Genele pentru formarea butanolului și acetonului în Clostridium acetobutylicum ATCC 824 se află pe o plasmidă mare a cărei pierdere duce la degenerarea tulpinii. J. Bacteriol. 179:5442-5447.
(5) Zhang H, Bruns MA, Logan fi.(5) Keis, S., Shaheen, R., and Jones, D.T. “Emended descriptions of Clostridium acetobutylicum and Clostridium beijerinckii, and descriptions of Clostridium saccharoperbutylacetonicum sp. nov. and Clostridium saccharobutylicum sp. nov.” Int. J. Syst. Evol. Microbiol. (2001) 51:2095-2103.
(6) Kawasaki, S., Y. Watamura, M. Ono, T. Watanabe, K. Takeda, and Y. Niimura. 2005. Adaptive responses to oxygen stress in obligatory anaerobes Clostridium acetobutylicum and Clostridium aminovalericum. Appl. Environ. Microbiol. 71:8442-8450.
(7) Fabrice Sabathe, Anne Belaıch, Philippe Soucaille (2002) Characterization of the cellulolytic complex (cellulosome) of Clostridium acetobutylicum FEMS Microbiology Letters 217 (1), 15–22.
(8) Chen, J.S., Toth, J., and Kasap, M. (2001) Nitrogen-fixation genes and nitrogenase activity in Clostridium acetobutylicum and Clostridium beijerinckii. J Ind Microbiol Biotechnol 27: 281–286.
(9) Gutierrez, Noemi A., Maddox, Ian S. Role of Chemotaxis in Solvent Production by Clostridium acetobutylicum Appl. Environ. Microbiol. 1987 53: 1924-1927.
(10) P. Durre și C. Hollergschwandner, inițierea formării endosporilor în Clostridium acetobutylicum, Anaerobe 10 (2004), pp.69-74.
(11) Hill, E. O. 1981. Genul Clostridium( aspecte medicale), PP.1756-1766. În: M. P. Starr și colab. (eds.), Procariotele, Volumul II. Springer-Verlag, New York.
(12) Gill, D. M. 1982. Toxine bacteriene: un tabel cu cantități letale. Microbiol. Apocalipsa 46: 86-94.
(13) Gimenez, J. A. și H. Sugiyama. 1988. Compararea toxinelor Clostridium butyricum și Clostridium botulinum tip E. infecție și imunitate 56:926-929.
(14) Harris, L. M., R. P. Desai, N. E. Welker și E. T. Papoutsakis. 2000. Caracterizarea tulpinilor recombinante ale mutantului de inactivare a Butiratului kinazei Clostridium acetobutylicum: necesitatea unor noi modele fenomenologice pentru solventogeneză și inhibarea butanolului? Biotehnol. Bioeng. 67:1-11.
(15) McNeil, B. și B. Kristiansen. 1986. Fermentarea cu acetonă butanol. ADV. Appl. Microbiol. 31:61-92.
(16) nuyts S, Van Mellaert L, Theys J, Landuyt W, Lambin P și Anne J. Clostridium spori pentru livrarea de medicamente specifice tumorii. Medicamente Anticanceroase. 2002 Februarie;13 (2): 115-25.
(17) Nasib Qureshi, Xin-Liang Li, Stephen Hughes, Badal C. Saha și Michael A. Cotta producția de Butanol din fibră de porumb Xylan folosind Clostridium acetobutylicum Biotechnol. Prog.; 2006; 22(3) pp 673-680.
(18) Zhang H, Bruns MA, Logan fi. Producția biologică de hidrogen de către Clostridium acetobutylicum într-un reactor cu flux nesaturat. Apă Res. 2006 Februarie; 40 (4):728-34.
editat de Mark Hower, student al lui Rachel Larsen și Kit Pogliano
